短期增温对中亚热带杉木人工幼林土壤氮磷耦合作用的影响

赵盼盼,高金涛,郑 蔚,贝昭贤,刘志江,熊德成,叶旺敏,曾晓敏,袁 萍,杨舟然,陈岳民,*,杨玉盛

1 福建师范大学地理科学学院, 福州 350007 2 湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地, 福州 350007

全球气候变化包括全球变暖,氮沉降加剧,CO2等温室气体浓度升高,降水动荡等多个方面,是当前研究的重要课题[1]。以气候变暖为主要特征之一的全球变化正影响着陆地生态系统的结构和功能,威胁着人类的生存与健康,受到世界各国政府和科学家的普遍关注[2- 3]。IPCC(2013)根据气候模型预测到21世纪末全球地表将平均增温1.8—4.0℃[4]。温度是影响氮磷矿化最重要的非生物因素之一,土壤温度升高会影响有机物质的分解,氮矿化,以及土壤养分的数量和迁移,从而影响生态系统结构和功能[5- 6]。

土壤养分是供给植物生长发育所必需的营养来源元素[7]。N是生态系统生产力最具限制性的营养因子之一,在生态系统碳氮循环中扮演着重要角色[8]；P是生态系统中重要的组成成分[9]。N和P是限制植物初级生产力的关键元素,植物生长需要大量的N和P[10]。在草原生态系统,当N含量比较充足的时候,P通常成为植物生长的限制因素[11]。N、P的耦合作用,主要是指土壤中的N素和P素彼此之间相互作用,以至于相互促进或相互制约的现象。N、P比值是N、P耦合作用的重要指标,其可以指示土壤养分的供需状况。N、P比值的改变深刻影响土壤中养分的含量和植物生长,物种竞争,群落组成和生态系统功能等[12]。此外,有效N/P比值对植物营养限制比较敏感,并且和植物叶片的N/P比值密切相关,因此有效N/P比值是评价和预测生态系统健康的重要参数[13]。

研究表明土壤温度升高会影响土壤微生物活动,提高土壤酶活性和有效氮的含量,而土壤养分有效性的增加将会提高植物的初级生产力[14]。土壤中有效氮是限制高寒草地植物生长的关键因素之一[15]。许多研究结果表明,增温会增加高寒草地土壤中有效氮,植物对土壤中可利用N的吸收也会增加[16- 17]。然而在内蒙古温带草原地区增温会降低全氮、全磷和有效氮；但也有研究发现,增温对土壤N、P的净矿化速率和植物初级生产力没有明显影响[18- 19]。Zhang等[12]研究表明增温对温带草原的N/P无显著影响,对N、P耦合作用影响不明显。还有研究表明,增温和干旱使内蒙古温带地区土壤生物地球化学解耦作用发生改变,植物生长受到限制,P脱离C和N,不再依赖于C、N含量,全N/P和有效N/P比值降低[14]。当前,关于全球变暖对土壤养分的影响大多集中在中高纬地区的草原、农田、苔原和森林生态系统[20-21]。而关于亚热带地区森林土壤N、P之间的耦合作用对全球变暖的响应状况鲜见报道。因此,为了进一步了解全球变暖背景下杉木人工幼林土壤养分响应过程和反馈状况,本文的具体探究目标如下:(1) 短期增温对亚热带杉木人工幼林土壤含水量和土壤温度的影响；(2) 短期增温对亚热带杉木人工幼林土壤N、P养分及其耦合作用的影响。

1 试验区与试验设计

研究区位于中国福建省三明市,试验地位于福建师范大学大武夷常绿阔叶林野外定位站三明观测点,陈大实验站(26°19′N,117°36′E),位于戴云山东南方向和武夷山西北方向。该地区属亚热带季风气候,年均温度19.1℃,相对湿度81%,年均降雨量1749mm(主要集中在3—8月份),年均蒸发量1585mm[22]。

本试验小区面积2m×2m,每个小区种植4棵杉木幼苗,小区四周用4块PVC板(200cm×60cm)焊接而成。于2013年10月在增温和不增温小区均平行布设相同的加热电缆,深度10cm,间距20cm。杉木幼苗处在两条电缆线之间。电缆布设完成后5个月(2014年3月)开始通电增温,样区详细布设介绍具体参见Zhang等[23]。据联IPCC(2013)第五次气候变化评估报告,到本世纪末,大气温度将升高0.3—4.8℃[4]。同时也参考了最早进行土壤增温试验的美国哈佛森林的增温幅度设置,所以本研究将增温幅度定为5℃[20]。其他增温系统设计及增温幅度结果具体参见陈仕东等[24]。

本试验采用完全随机区组设计,以增温为固定因子。设对照(CK)、增温(W)两种处理,每个处理5个重复,共10个小区。

2 研究方法

2.1 土壤样品采集

2015年4月和2016年4月(增温满1年和两年),在上述每个小区内按照“S”型随机设置5个取样点,增温电缆布设在10cm,用土钻分别取0—10cm的土壤,每个小区同一土层土壤混合均匀。将采集的土壤迅速带回实验室,去除可见根系等动植物残体,用于含水率的测定,剩下的土壤过2mm筛后分为两部分,一部分用于土壤C,N养分的测定；另一部分土壤室温风干研磨后过0.149mm筛用于测定土壤全N,P等基本理化指标。

2.2 土壤温湿度及土壤养分的测定方法

2.3 数据处理

数据经过Microsoft Excel 2013软件处理后,采用SPSS 19.0软件进行分析,由Origin 9.0软件进行绘图。计算CR3000观测数据1天内的平均值,用折线图表示2014年和2015年(增温1年和两年)土壤含水量和土壤温度的动态变化。用单因素方差分析检验土壤含水量和土壤温度在增温和对照处理下有无显著差异性(P<0.05)。用单因素和双因素方差分析检验2015年和2016年土壤养分及其比值有无显著差异性(Duncan法,α=0.05)；计算在增温和对照两个处理下土壤温度、土壤含水量与土壤养分其比值的pearson相关系数(P<0.05,P<0.01和P<0.001)。

3 结果与分析

3.1 增温对土壤理化性质的影响

增温后,土壤中全C、全N、pH均有所下降,但并未达到显著影响(表1)。增温对全P和C/N也无影响。但增温显著降低了土壤含水量(P<0.05)。

表1 土壤基本理化性质

不同小写字母表示同一年份不同处理之间差异显著(P<0.05)

3.2 增温对土壤含水量、土壤温度的影响

土壤含水量和土壤温度呈现一个类似季节性的变化规律,在6—8月达到顶峰。增温显著降低了土壤含水量(P<0.05)。和对照组相比增温幅度基本维持在5℃左右。增温处理后,2014年,土壤含水量由24.07%下降到19.60%,土壤温度由23.31℃升高到28.51℃；2015年,土壤含水量由21.86%下降到17.27%,土壤温度由22.49℃升高到26.69℃(图1)。

图1 增温对土壤含水量和土壤温度的影响Fig.1 Effects of warming on soil water content and soil temperatureCK：对照Control；W：增温Warming;不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)

3.3 增温对土壤N、P及其比值的影响

3.3.1 增温对土壤N和P的影响

整体而言,短期增温对全N、全P无显著影响。但对速效性养分和MBN,MBP有显著影响。

图2 增温对土壤养分的影响Fig.2 Effects of warming on soil nutrientsT：时间效应 Time effect；WT：增温和时间交互作用Interaction effect of warming and time；不同小写字母表示同一年份不同处理之间差异显著(P<0.05),不同大写字母表示不同年份同一处理之间差异显著(P<0.05)；图中数据为平均值±标准差(n=5)；*, ** 和 *** 分别代表P<0.05, P <0.01和P<0.001

图3 增温处理后土壤养分N/P和和MBN/MNP比的影响Fig.3 Effects of warming on soil N/P and MBN/MBP ratios

3.4 土壤温度和含水量与土壤养分的相关性

4 讨论

4.1 增温对土壤N、P的影响

表2 不同处理下土壤温度和土壤含水量与土壤养分的相关性

4.2 增温对土壤N、P耦合作用的响应

耦合作用不仅受N和P之间的相互作用的影响,也受到土壤温度、水分含量、土壤pH等其他因素影响[12]。土壤含水量通过影响有机物分解速率和氧化还原电位从而影响土壤和土壤溶液中离子含量[38]。水和温度是生物地球化学过程的重要因素,干燥和温暖的气候将大大改变生物量的积累,以不同的方式分解和存储,可能破坏C、N和P的生物地球化学循环,消极影响了这些生态系统提供的关键服务[14]。但是Zhang等人研究发现松嫩草原土壤温度和土壤含水量与N、P元素呈显著相关[12],其与本研究结论不一致的原因可能是气候带不同,植被类型不同,增温后微生物活性也有一定的差别。Jiao等[14]研究表明土壤pH主要受气候的长期影响,土壤的pH值对土壤N/P比值存在潜在影响。此外N/P比值也受研究地区生态系统和植被类型的影响[15]。

5 结论

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中国古典园林强调人与自然和谐共处，强调园林意境，这与现代景观设计注重生态性、文化性、合理性是不冲突的。因此，很多古典园林设计手法是值得现代景观设计师借鉴和深思的，中国古典园林艺术需要在现代景观设计中得到传承和发扬光大。

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